Bases de la Tecnología UMTS: EL Acceso Múltiple

Bases de la Tecnología UMTS: EL Acceso Múltiple
Juan Manuel Vazquez
Tecnologías
Este artículo explica de manera sencilla uno de los fundamentos técnicos del UMTS: la técnica de acceso múltiple, básica para conseguir que diferentes usuarios
puedan utilizar eficientemente las frecuencias del sistema.
Descargar archivo de audio (15:18 min / 3,59 Mb) ¿QUÉ ES UNA TÉCNICA DE ACCESO MÚLTIPLE? ¿Nos imaginamos un sistema de comunicaciones móviles
en el que sólo fuera posible que uno de nosotros hiciera uso del mismo, sin que otros pudieran simultanear sus conexiones con la nuestra? Un sistema como ese no sería
desde luego un éxito: la gente no querría usarlo, porque para comunicarse habría poco menos que 'pedir la vez'. Y los operadores no querrían ofrecerlo, pues les resultaría
poco rentable, al poder facturar tan solo un reducido número de comunicaciones. Es evidente que, a poco que pensemos, debe existir un mecanismo en estos sistemas -y
en general en todos los que pretenden compartir comunicaciones radio entre grupos de personas -, que permita que varios usuarios puedan simultanear el uso de la radio
(o sea, de las frecuencias utilizadas para transmitir o recibir) sin perjudicarse unos a otros. Estos mecanismos existen efectivamente -desde los comienzos de la radio- y
son lo que se conoce como técnicas de acceso múltiple. Una técnica de acceso múltiple es aquella que permite el acceso a los recursos radio 'las frecuencias' por parte de
múltiples usuarios. A continuación daremos un repaso a las más importantes, siguiendo un orden cronológico, que va desde las más antiguas a las más recientes,
terminando con la que se utiliza en el UMTS (aunque es preciso anticipar que el UMTS tiene dos formas muy diferentes de transmitir la señal radio 'dos interfaces radio'
y en cada una el acceso múltiple posee sus propias características). EL PRINCIPIO: FDMA Si nos piden que imaginemos una manera de separar comunicaciones radio
simultáneas, de forma que no se estorben entre sí, es casi seguro que lo primero que se nos viene a la cabeza es una idea muy simple: cada comunicación en una
frecuencia separada. Y no andaríamos muy descaminados, puesto que esta fue la solución imperante en los primeros tiempos de la radio. Su fundamento no es,
efectivamente, complicado. La información que queremos transmitir es primero traducida a una señal eléctrica (por ejemplo, con un micrófono, que convierte la señal
vocal en otra eléctrica). Esta señal es lo que se conoce como señal útil o señal en banda base. A renglón seguido manipulamos (modulamos en la jerga de radio) una señal
de radiofrecuencia, de manera que alguno de sus parámetros (la amplitud, la fase, la frecuencia) varíe proporcionalmente a la señal en banda base. Esta radiofrecuencia ha
de tener un valor adecuado para el tipo de transmisión que deseamos realizar. Alguno podría preguntar por qué no transmitir directamente la señal en banda base, que al
fin y al cabo ya es una señal eléctrica. La respuesta está en que no todas las frecuencias se propagan igual de bien por el aire. Y en concreto, las de bajas frecuencias
-como la señal vocal- no sobreviven al cabo de grandes distancias (todos lo hemos comprobado; en una conversación, si nos alejamos unas decenas de metros de nuestro
interlocutor, dejamos de oírle). Por eso, hemos de recurrir a 'montar' la información sobre otra frecuencia bastante más alta (una frecuencia de radio o radiofrecuencia). Es
algo así como tener que subirse a un vehículo para poder recorrer largas distancias, puesto que a pie nos resultaría inviable. En recepción tan solo tenemos que sintonizar
nuestro filtro de radio a la radiofrecuencia de transmisión. Gracias a este filtro, dejamos pasar únicamente la señal de nuestra conexión, y reducimos las de otras (en
frecuencias diferentes) a un nivel inapreciable. Posteriormente, en un proceso inverso al de la modulación (que se denomina por ello demodulación), extraemos nuestra
señal útil, para finalmente mostrarla o convertirla en señal vocal, si es que, por ejemplo, la información que transmitimos es la voz. Este método es sencillo y fácil de
llevar a la práctica. Su denominación técnica es FDMA ( Frequency Division Multiple Access), que traducido al español es acceso múltiple por división en frecuencia.
Ambas características motivaron que fuera el primero que se utilizó extensamente en las radiocomunicaciones. Sin embargo, adolece de un inconveniente, que se hizo
tanto peor de llevar conforme mayor fue el éxito de la radio, y que no es otro que la necesidad de gastar una frecuencia por cada comunicación a simultanear en el aire.
Las frecuencias (el espectro radioeléctrico para ser más precisos) son un recurso cada vez más escaso, y por tanto más caro. Por si fuera poco, los filtros y los procesos de
modulación/demodulación imponen una separación entre las frecuencias que hace que el aprovechamiento de éstas diste de ser el óptimo. Por esta razón, se buscaron
otras soluciones. LA SEGUNDA GENERACIÓN EUROPEA: TDMA Los sistemas de radio móvil de segunda generación incorporaron un avance tecnológico muy
interesante, como es la digitalización de la señal. Hasta ese momento, la señal que modulaba a la radiofrecuencia era analógica. Esto es, una señal eléctrica continua,
proporcional en todo momento a la señal de la fuente de información a transmitir. La digitalización supone un paso adicional, consistente en expresar esta señal como una
secuencia de unos y ceros. Esta secuencia modula seguidamente a la frecuencia correspondiente. La digitalización aporta dos ventajas importantes: permite acomodar
más usuarios en las mismas frecuencias (aumenta el uso eficiente de estas, o lo que es lo mismo aumenta la eficiencia espectral), y permite reforzar la seguridad de las
comunicaciones (al ser la señal una secuencia de unos y ceros se puede jugar con ella para enmascarar la información a transmitir, de una manera mucho más eficaz).
También permite utilizar otra técnica de acceso múltiple, denominada TDMA ( Time Division Multiple Access) , donde la clave no es la frecuencia, sino el tiempo. Esta
solución es la que se empleó en la versión europea de la segunda generación, léase el sistema en el sistema GSM. En TDMA lo que se establece en cada frecuencia es un
turno rotatorio de palabra, compuesto por un número de turnos. En GSM son 8. Cada turno se corresponde con una conexión. Cuando le llega el turno a una de ellas, tan
sólo esa puede hacer uso de la frecuencia, debiendo el resto de los usuarios permanecer en silencio. Dicho de otra manera, cada usuario que está siendo servido a través
de una misma frecuencia, sólo puede utilizarla durante una fracción del tiempo (en el caso de GSM, durante 1/8 del tiempo). En puridad no puede hablarse de un uso
simultáneo de las frecuencias, puesto que en realidad es secuencial. Sin embargo, si el turno de palabra se rota con una velocidad suficientemente por encima de la que se
necesita en cada conexión, la impresión que tendrá cada usuario es que se le está sirviendo sin demoras. Así, si en GSM el turno de palabra se concede a una velocidad
por lo menos 8 veces mayor que la necesaria en cada conexión, los usuarios no percibirán que en realidad están disponiendo de un octavo del tiempo de transmisión. Es
evidente que en TDMA se produce una separación perfecta de las comunicaciones en una misma frecuencia, por cuanto, por propia definición, nunca pueden coincidir en
el tiempo dos o más de ellas. Veamos ahora en que consiste la técnica empleada por el UMTS, denominada CDMA. DS-CDMA: la opción del UMTS En realidad esta
técnica no es exclusiva de la tercera generación, puesto que ya fue utilizada en algunos sistemas de telefonía móvil de segunda generación, desplegados en el continente
americano. Con todo, es la técnica de acceso múltiple más joven y posee características propias que merecen una exposición más detallada, que ampliaremos en
posteriores artículos. DS-CDMA es el acrónimo de Direct Sequence - Code Division Múltiple Access. Traducido, acceso múltiple por división de códigos con secuencia
directa. Su nombre nos da idea de que ahora no van a ser las frecuencias ni el tiempo el factor separador entre conexiones, sino otra cosa totalmente diferente. Además, el
CDMA es más que una solución para separar transmisiones entre sí, ya que aporta una mayor protección en la transmisión radio de la señal. Antes de exponer el porqué,
es preciso entender un concepto, como es el del ancho de banda de la señal radio. Al comienzo del artículo, se habló del proceso de modulación. Su resultado es una
radiofrecuencia con alguna de sus características cambiando conforme lo hace la señal de banda base que queremos transmitir. Sin embargo, lo cierto es que no podemos
hablar de una sola radiofrecuencia, sino de un rango de valores en torno a los cuales ésta se va a mover. Esta variación tiene su origen en los cambios inducidos por la
modulación en la radiofrecuencia. Y, aunque sería largo de explicar aquí, en líneas generales, podemos decir que dicho rango se corresponde bastante bien con la
frecuencia de la señal en banda base. Esto puede sonar algo a complicado, pero se aclara fácilmente con un ejemplo: supongamos que transmitimos una señal de 2 MHz,
modulada por una señal de 1 KHz. Pues bien, la radiofrecuencia que transmitimos no permanecerá fija en 2 MHz, sino que estará dentro del entorno de 2 MHz ± 1 KHz.
Dicho de otra manera, el ancho de banda de esta señal será de 2 KHz, viniendo determinado dicho ancho por la velocidad de la señal moduladora. ¿Qué tiene que ver esto
con el DS-CDMA? Bastante. Esta técnica busca generar una señal de radiofrecuencia de un ancho de banda mucho mayor que el de la señal en banda base. Para ello,
como hemos visto, es preciso modular la radiofrecuencia con una señal de una velocidad también mucho mayor que la de la señal útil. Es preciso pues conseguir una
señal digital de dichas características, a partir de la señal digital en banda base ¿cómo? Multiplicando esta última por una secuencia (código) de velocidad mucho mayor.
En la figura siguiente vemos un ejemplo de tal multiplicación, donde x(t) es la señal en banda base, c(t) el código de multiplicación, y s(t) el resultado de la
multiplicación. Por cierto, así como los estados de la señal en banda base tienen el nombre de 'bits', los de la secuencia multiplicadora y los del resultado de la
multiplicación se denominan 'chips', de forma que la velocidad de estas señales se expresa en unidades como 'Megachips por segundo'.
Vemos, como a partir de la señal en banda base,
más lenta, generamos otra mucho más rápida, que es la que va a modular a la radiofrecuencia. Con ello, lo
que conseguimos es una señal de radio de un ancho de banda mucho mayor de la que hubiésemos
conseguido si modulásemos directamente con la señal en banda base. Y todo esto.. ¿Por qué? Pues porque
es la manera de conseguir que la energía de la señal a transmitir se reparta a lo largo de un ancho de banda
muy amplio. Esto es algo que nos reporta una ventaja importante: si ocurre algo que nos elimina una
fracción de dicha banda, esta pérdida de energía afectará a un porcentaje tanto menor del total, cuanto
mayor sea el ancho de banda sobre el que estemos transmitiendo. Dicho de otra manera, esta circunstancia
nos afectará tanto menos cuanto mayor el ancho de banda. De ahí el interés por aumentarlo tanto.
Conseguir esto es especialmente interesante para los ingenieros de radio móvil, puesto que en ella se da
casi de continuo un fenómeno perjudicial de este tipo: el desvanecimiento multitrayecto. El
desvanecimiento multitrayecto se produce cuando un terminal móvil en conexión radio con, por ejemplo,
una estación base, recibe no sólo la señal proveniente del trayecto más corto entre ambos, sino también las
de otras provenientes de rebotes con los diferentes objetos circundantes. Estos objetos pueden ser
edificios, coches, montañas etc. El resultado de esta situación es que al móvil le llega no sólo una señal
principal, sino otras secundarias, que son una versión de la primera, pero de menor amplitud y retrasadas
en el tiempo (porque efectúan un recorrido más largo). Esta suma puede reforzar la señal resultante
(interferencia constructiva) o anularla (interferencia destructiva). Muchos de nosotros hemos
experimentado este fenómeno en el coche. En un momento dado, dejamos de oír bien la radio, y sin
embargo, avanzamos unos metros -a veces unos centímetros- y la recepción vuelve a ser buena. La
explicación a esto es que pasamos de un punto de interferencia destructiva a otro de constructiva. El
hecho es que esta circunstancia provoca bruscos vaivenes de la señal, conocidos como desvanecimientos
por multitrayecto. Un efecto de este desvanecimiento es que afecta a un ancho de banda determinado,
conocido como ancho de banda de coherencia. Dicho de otra manera, supone, cuando hay interferencia
destructiva, que se pierde la señal de una porción de banda, correspondiente a este ancho. Y, a la luz de lo
comentado antes sobre el ensanchamiento de la banda de transmisión, es fácil ver que a mayor
ensanchamiento, menor impacto de este efecto. La figura siguiente ilustra el concepto:
Hasta aquí, las bondades de
DS-CDMA como ensanchador del espectro. Pero, ¿qué hay de su papel como técnica de acceso múltiple?
¿Cómo permite compartir el espectro? El secreto de DS-CDMA como técnica de acceso múltiple reside
en las secuencias multiplicadoras o códigos. Éstas tienen la propiedad de que una secuencia multiplicada
por una réplica de sí misma (esto es, el resultado de multiplicar una secuencia de N chips, y sumar el
resultado para cada una de esas posiciones), es mucho mayor que el resultado de multiplicar dos
secuencias diferentes entre sí. Gracias a esta propiedad, es posible separar en recepción nuestra señal ¿Por
qué? Veamos: lo que el receptor recibe en su antena es la señal de radiofrecuencia de su conexión MÁS
otras del mismo tipo, procedentes de otras conexiones ajenas a él. Una vez demodulada esta mezcla, lo
que tenemos es la suma de la señal digital de nuestra conexión más las del resto. A partir de aquí lo que se
hace es multiplicar por el código que se utilizó en transmisión para nuestra conexión. Con ello,
recuperamos nuestra señal en banda base. ¿Qué ocurre con las otras secuencias ajenas a nosotros? Estas,
al multiplicarse por nuestra secuencia producen una señal de valor mucho menor que el de la señal útil
que queremos recuperar, y que se parece mucho a la señal de ruido que siempre está presente en todos los
equipos de telecomunicaciones, y que es producido por la agitación térmica de las moléculas que integran
los componentes de los diferentes equipos que componen la cadena de transmisión - recepción. En suma,
recuperamos nuestra señal más un poquito de ruido, proporcional al número de conexiones CDMA que
están presentes en el aire, además de la nuestra. La figura siguiente muestra gráficamente este concepto:
Como puede verse, el
DS-CDMA es una técnica que permite el acceso múltiple, con la ventaja de reforzar la protección de la
señal ante un fenómeno tan corriente como perjudicial en las comunicaciones móviles: el
desvanecimiento multitrayecto. Sin embargo, posee una diferencia frente a las otras dos técnicas, FDMA
y TDMA, como es que no suprime del todo los efectos provenientes de las otras transmisiones
simultáneas a la que se desea recibir. Y esto tendrá importantes repercusiones en otros aspectos técnicos
del sistema UMTS. Autor:Juan Manuel Vazquez. TELEFÓNICA MÓVILES ESPAÑA, S.A. Descargar
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